管幕法下穿既有地鐵隧道微變形控制技術(shù)*

陶連金， 張 倍， 劉新建， 羅文江， 趙 輝

(1.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2. 北京城市交通協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100124；3.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100124；4.中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100124)

近年來，北京市大規(guī)模的軌道交通建設(shè)導(dǎo)致新舊結(jié)構(gòu)的交叉穿越難度及風(fēng)險(xiǎn)越來越大，目前已建成和規(guī)劃但未建成的地鐵交叉結(jié)構(gòu)超過40座，在2050年北京市區(qū)軌道交通線路規(guī)劃圖中，地鐵車站、區(qū)間隧道等空間交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)高達(dá)118處[1].新建地鐵車站下穿既有地鐵線路的施工過程中，將不可避免地對(duì)周圍地層產(chǎn)生擾動(dòng)，引起周圍地層變形并向上傳遞，造成既有結(jié)構(gòu)承載力或支撐條件的降低或結(jié)構(gòu)變形，而當(dāng)?shù)貙幼冃瘟恳鸬母郊討?yīng)力超過結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極限時(shí)，則會(huì)造成既有結(jié)構(gòu)的損傷，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事故.

管幕法是在結(jié)構(gòu)體外圍預(yù)先進(jìn)行鋼管頂進(jìn)，并在鋼管側(cè)面利用鎖扣連接，在鎖扣空隙內(nèi)填充止水材料，形成一個(gè)能抵御上部荷載的超前支護(hù)體系，并起到隔斷周圍水土的帷幕結(jié)構(gòu)作用[2-4].管幕法可以減小隧道對(duì)上部土體、既有建構(gòu)筑物和周圍環(huán)境的擾動(dòng)[5].作為地下空間開發(fā)的一種暗挖施工輔助工法，管幕法具有對(duì)周圍環(huán)境擾動(dòng)小、施工空間限制低、對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[6]，因此在一些施工空間狹小，周邊環(huán)境復(fù)雜的地下空間施工中，運(yùn)用管幕作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，既能保證施工的安全進(jìn)行，又能減少對(duì)周圍環(huán)境的影響.北京地鐵穿越施工中有部分工程嘗試了管幕法超前支護(hù)施工，但效果較差，地層沉降控制不理想[7-8].目前，國內(nèi)外對(duì)隧道下穿既有線工程實(shí)例及相關(guān)研究較多，對(duì)管幕超前支護(hù)法下穿既有地鐵隧道工程也有大量的研究[9-12]，但對(duì)于管幕法近距離下穿既有線工程微變形控制研究非常少，新建隧道下穿既有運(yùn)營隧道工程國內(nèi)外尚未見報(bào)道，缺少相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果可借鑒.

1 工程概況

礦山法新建8號(hào)線木—大區(qū)間正線(木樨園橋南站—大紅門站)近距離下穿既有10號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間(大紅門站—石榴莊站)，下穿區(qū)間長度43 m，距離既有區(qū)間最近處2.5 m.新建區(qū)間隧道與上方的盾構(gòu)隧道位置關(guān)系如圖1所示.該工程是全國首例近距離下穿正在運(yùn)行區(qū)間隧道的工程.既有10號(hào)線處于正常運(yùn)營狀態(tài)，對(duì)于隧道變形控制非常嚴(yán)格，要求穿越施工引起的既有線沉降不超過3 mm，隆起不超過2 mm.

工程采用“鎖扣管幕+全斷面深孔注漿”方案進(jìn)行施工，即在隧道上導(dǎo)洞距離拱頂0.5 m處頂進(jìn)29根Φ299 mm鋼管幕，并進(jìn)行注漿加固，管幕施工完成后對(duì)開挖面進(jìn)行全斷面深孔注漿，隨后進(jìn)行隧道的開挖.鎖扣管幕對(duì)上部土體可以起到很好的支護(hù)作用，防止砂卵石坍塌，同時(shí)，可以保證上部土體在注漿作用時(shí)整體沉降或者隆起，避免局部不均勻變形.根據(jù)工程詳細(xì)勘查報(bào)告，新建隧道下穿既有隧道穿越土層主要是砂卵石地層.管幕施工方案如圖2所示.

由于該工程施工過程復(fù)雜，土層變形控制極其嚴(yán)格，新建礦山法區(qū)間隧道處于密實(shí)的砂卵石地層中，新舊結(jié)構(gòu)凈距小，以管幕預(yù)支護(hù)為主的微變形控制技術(shù)難度大，穿越風(fēng)險(xiǎn)極高.本文采用現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)和空間三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法模擬管幕法下穿既有線施工對(duì)周圍土體及既有結(jié)構(gòu)沉降變形的影響.

2 數(shù)值模擬研究

采用FLAC3D軟件建立簡(jiǎn)化三維模型，如圖3所示.土體劃分為5層，由上至下依次為：填土、粉細(xì)砂、圓礫卵石、粉質(zhì)黏土、砂卵石，各層土體及注漿區(qū)均采用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則.模型的上邊界為地表，豎向共取44 m，平行鋼管頂進(jìn)方向取37 m，垂直鋼管頂進(jìn)方向取61 m.地表為自由邊界，不考慮地面超載作用，模型側(cè)面和底面為位移邊界，限制水平移動(dòng)，底部限制三個(gè)方向的位移.

鋼管間鎖扣及注漿采用彈性介質(zhì)模擬，鋼管及隧道襯砌采用殼單元模擬，土的物理力學(xué)參數(shù)參照所依托工程的地質(zhì)勘查資料采用加權(quán)平均法確定.模型中材料的物理力學(xué)參數(shù)取值如表1和表2所示.

表1 土和注漿材料參數(shù)

表2 鎖扣和殼單元材料參數(shù)

管幕頂管順序?yàn)椋簭闹虚g向左側(cè)依次頂進(jìn)左側(cè)鋼管，左側(cè)完成后，從中間向右側(cè)依次頂進(jìn)右側(cè)鋼管.采用應(yīng)力釋放來模擬鋼管頂進(jìn)對(duì)土層的擾動(dòng)，應(yīng)力釋放率取0.9，分10步等比例釋放完成，比例系數(shù)為0.99.實(shí)際施工時(shí)，由于施工機(jī)械和場(chǎng)地的限制，左線和右線管幕只頂進(jìn)了25根鋼管.8號(hào)線下穿10號(hào)線工程管幕施工和新建隧道施工數(shù)值模擬過程為：

第一步：生成模型，計(jì)算初始地應(yīng)力，初始位移清零；

第二步：左線第1～25根鋼管頂進(jìn)及注漿加固；

第三步：左線全斷面注漿開挖隧道上導(dǎo)洞施做臨時(shí)仰拱及初襯；

第四步：左線隧道下導(dǎo)洞開挖及二襯施做；

第五步：右線第1～25根鋼管頂進(jìn)及注漿加固；

第六步：右線全斷面注漿開挖隧道上導(dǎo)洞施做臨時(shí)仰拱及初襯；

第七步：右線隧道下導(dǎo)洞開挖及二襯施做.

2.1 單根鋼管施工數(shù)值模擬

為了研究單根鋼管頂進(jìn)施工過程對(duì)地層變形的影響，現(xiàn)場(chǎng)施工開始前進(jìn)行了頂管施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過在鋼管上部土層中布置多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)頂管施工引起的土層豎向位移.數(shù)值模擬中，在距離第一根鋼管起始端17 m正上方的位置由下至上布置7個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)a、b、c、d、e、f、g，如圖4所示，與鋼管的凈間距分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、4.0 m.

第一根鋼管頂進(jìn)施工過程，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移分布曲線如圖5所示.各測(cè)點(diǎn)數(shù)值模擬土層最終沉降位移結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖6所示.

單根鋼管施工數(shù)值分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出相似的規(guī)律：鋼管頂進(jìn)對(duì)管上方的土層擾動(dòng)表現(xiàn)為引起土層沉降；距離鋼管上方越遠(yuǎn)的土層沉降變形越小；管幕單根鋼管施工時(shí)，隨著土層與鋼管距離增加，周圍土層的擾動(dòng)呈現(xiàn)出負(fù)指數(shù)衰減趨勢(shì).

數(shù)值分析中各測(cè)點(diǎn)的最大位移值和試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠較好地吻合，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果相比，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果最大相對(duì)誤差僅12.5%.證明了數(shù)值模擬采用的分析模型和參數(shù)取值比較可靠，能夠較好地模擬實(shí)際工程土層的擾動(dòng).

2.2 下穿施工過程上部土層擾動(dòng)模擬

單根管幕數(shù)值模擬驗(yàn)證了數(shù)值模擬所取參數(shù)的可靠性，基于此繼續(xù)模擬管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)施工和新建隧道雙線下穿既有線施工過程.本文選用管幕上部土層的位移作為施工擾動(dòng)大小的判別標(biāo)準(zhǔn)，故在新建隧道左線管幕穿越既有線的交叉位置布置10個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖7所示.既有線北線下布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由下至上依次編號(hào)1、2、3、4、5，距離管幕頂端正上方高度分別為0.2 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m；既有線南線下方布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由下至上依次編號(hào)6、7、8、9、10，距離管幕頂端正上方高度分別為0.2 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m.

同樣，在新建隧道右線管幕穿越既有線的交叉位置布置8個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置同左線相同，如圖8所示.

在既有線軌道中心線上布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖9所示.既有10號(hào)線北線上布置28個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從左至右依次編號(hào)為21～48，測(cè)點(diǎn)21～48距離模型左邊界距離依次為：9 m、12 m、15 m、18 m、19 m、20 m、21 m、22 m、23 m、24 m、25 m、36 m、28 m、30 m、31 m、33 m、35 m、36 m、37 m、38 m、39 m、40 m、41 m、42 m、43 m、46 m、49 m、52 m.同樣在南線上布置28個(gè)測(cè)點(diǎn)，從左至右依次編號(hào)為49～76，測(cè)點(diǎn)布置方式與北線相同.為方便分析，在模型中經(jīng)過左線軸線位置取縱剖面1-1.

模擬每步施工過程，提取各施工步完成后土層豎向位移.為了更清晰地顯示位移云圖中管幕上方土層的豎向變形分布規(guī)律，提取了縱剖面1-1在左線管幕施工完成、左線隧道施工完成、右線管幕施工完成、右線隧道施工完成后土層的豎向位移云圖，如圖10(a)～(d)所示.右線隧道施工完成后，1-1剖面土層水平向位移云圖如圖11(a)～(b)所示.

分析左右線管幕施工和隧道開挖施工土層豎向沉降云圖和施工完成后土層水平向位移云圖可知：

(1) 管幕施工引起上方土層沉降最大位置在管幕兩側(cè)拱腰附近，隧道施工完成后，土層沉降最大的位置在管幕的最上方.管幕和隧道開挖均引起上部土層沉降，下部土層隆起.

(2) 管幕施工和隧道開挖施工對(duì)周圍土層的擾動(dòng)沿隧道開挖方向均勻分布.

(3) 新建隧道下穿既有隧道施工引起周圍土層豎向位移相對(duì)較大，水平向位移相對(duì)較小，且主要引起上部土層的沉降.施工完成后，上部土層豎向最大位移約-3 mm，X向最大位移僅約1 mm，Y向最大位移僅約0.25 mm.

測(cè)點(diǎn)1～20隨施工的進(jìn)展豎向位移發(fā)展曲線如圖12所示.測(cè)點(diǎn)21～76每步施工引起的豎向位移如圖13所示.

分析各施工步監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移曲線可知：

(1) 左線和右線的管幕施工和隧道開挖施工均會(huì)互相影響，上部土層沉降具有明顯的疊加效應(yīng).單線隧道施工引起土層最大位移約2.1 mm，雙線隧道施工引起土層最大位移約2.8 mm.

(2) 左、右線上部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終沉降非常接近，說明既有結(jié)構(gòu)的沉降與新建隧道的施工順序關(guān)系不大.

(3) 垂直于隧道開挖方向的縱截面，管幕施工和隧道開挖引起的土層沉降與peck沉降槽較為相似.

(4) 左線管幕施工造成既有線豎向最大沉降為0.8 mm，左線隧道施工完成時(shí)既有線最大沉降為2.5 mm，右線管幕施工完成時(shí)既有線最大沉降為1.5 mm，右線隧道施工完成后既有線最大沉降為2.8 mm，均滿足沉降控制要求.

3 施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

根據(jù)新建工程與既有地鐵的平面位置關(guān)系，軌道結(jié)構(gòu)豎向變形監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)在新建暗挖區(qū)間下穿既有10號(hào)線地鐵區(qū)間影響范圍內(nèi)，每隔10～20 m布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共需要18個(gè)靜力水準(zhǔn)點(diǎn)，布設(shè)平面圖如圖14所示.

由于測(cè)點(diǎn)較多，而距離8號(hào)線新建隧道軸線較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)沉降值較小，監(jiān)測(cè)結(jié)果離散性較大，故取新建隧道下穿10號(hào)線的交叉穿越正上方位置4個(gè)沉降明顯的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)N4、N6、S4、S6進(jìn)行豎向變形分析，下穿施工全過程中4個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積沉降曲線如圖15～圖18所示.

在8號(hào)線新建隧道下穿10號(hào)線隧道的施工過程中，施工單位根據(jù)第三方監(jiān)測(cè)反饋的既有線隧道和軌道結(jié)構(gòu)的豎向變形值，進(jìn)行了多次背后補(bǔ)償注漿，一旦發(fā)現(xiàn)既有隧道結(jié)構(gòu)沉降增長趨勢(shì)大或者沉降接近預(yù)警值時(shí)，馬上采取在既有線下方進(jìn)行背后補(bǔ)償注漿的措施.施工全過程中，4個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降均未超過3 mm，隆起均未超過2 mm，滿足沉降控制要求.可見在管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)下進(jìn)行背后補(bǔ)償注漿可有效地補(bǔ)償?shù)貙訐p失，減小地層沉降.

新建線施工完成后，南線和北線的最終豎向位移見圖19(a)和(b).

圖中北線和南線兩條土層沉降曲線與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果具有相似的規(guī)律性，測(cè)點(diǎn)沉降曲線與peck沉降曲線較為相似.在新建隧道正上方的測(cè)點(diǎn)在沉降槽曲線中均為沉降極大值點(diǎn).與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相比，既有線隧道內(nèi)布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值明顯小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大沉降均小于2 mm，其原因可歸納為：①實(shí)際施工過程中，進(jìn)行了多次背后補(bǔ)償注漿，背后注漿對(duì)地層有明顯的抬升效果，將地層沉降始終控制在2 mm以內(nèi)；②數(shù)值計(jì)算中隧道襯砌采用殼單元模擬，殼單元和周圍土體單元共用節(jié)點(diǎn)，因此殼單元和周圍土體具有相同的位移，而實(shí)際襯砌和周圍土的位移并不相同.

4 結(jié)論

通過管幕法施工的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，分析管幕單根鋼管頂進(jìn)施工對(duì)管幕上方土層變形的影響；建立三維數(shù)值計(jì)算模型，分析了管幕施工和管幕預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)作用下隧道施工上部土層的擾動(dòng)以及變形分布規(guī)律：

(1) 管幕施工引起上部土層沉降最大位置在管幕結(jié)構(gòu)的拱腰附近，管幕支護(hù)作用下隧道施工引起上部土層沉降最大的位置在管幕結(jié)構(gòu)的拱頂附近.

(2) 新建雙線隧道下穿既有隧道施工中，新建隧道的兩條隧道施工對(duì)周圍土層的擾動(dòng)具有明顯的疊加效應(yīng).

(3) 采用管幕預(yù)支護(hù)體系近距離下穿既有線施工，可以將既有結(jié)構(gòu)沉降變形控制在允許范圍內(nèi).